植物營養(yǎng)與分子生物學(xué)課件

1、植物營養(yǎng)學(xué)植物營養(yǎng)學(xué) 研究植物營養(yǎng)原理與施肥的科學(xué)。研究植物營養(yǎng)原理與施肥的科學(xué)。植物營養(yǎng)原理植物營養(yǎng)原理 研究植物對營養(yǎng)元素的吸收、運轉(zhuǎn)、研究植物對營養(yǎng)元素的吸收、運轉(zhuǎn)、分配和利用，以及植物體與環(huán)境之間營養(yǎng)分配和利用，以及植物體與環(huán)境之間營養(yǎng)物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過程及其調(diào)控的科學(xué)。物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過程及其調(diào)控的科學(xué)。123土壤土壤根根地上部地上部BAP TX(P)(T)利用轉(zhuǎn)移運輸吸收養(yǎng)分營養(yǎng)利用轉(zhuǎn)移運輸吸收養(yǎng)分營養(yǎng)植物必需營養(yǎng)元素（定義，分植物必需營養(yǎng)元素（定義，分類，種類）？類，種類）？有益元素？有益元素？每個必需營養(yǎng)元素的吸收（代每個必需營養(yǎng)元素的吸收（代謝與同化）、體內(nèi)含量、分配、謝與同化）

2、、體內(nèi)含量、分配、營養(yǎng)功能、缺乏（或中毒）癥營養(yǎng)功能、缺乏（或中毒）癥狀（診斷）？狀（診斷）？每個必需營養(yǎng)元素所對應(yīng)的肥料（種類、性質(zhì)和施用每個必需營養(yǎng)元素所對應(yīng)的肥料（種類、性質(zhì)和施用技術(shù)等）？技術(shù)等）？N,P,K 肥料三要素肥料三要素? 微肥？單質(zhì)肥料與復(fù)合肥料？有機(jī)微肥？單質(zhì)肥料與復(fù)合肥料？有機(jī)與無機(jī)肥？含與無機(jī)肥？含Cl-肥料與含肥料與含SO4 2- 肥料？肥料？施肥與環(huán)境？施肥與環(huán)境？ 配方施肥？配方施肥？尤尤李比西李比西 (1803-1873)Liebig (1840) “Organic chemistry in its application to agriculture and

3、 physiology ”A: Mineral Element Theory (礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說）礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說）B: Nutrient Return Theory （歸還學(xué)說）（歸還學(xué)說）C： Minimum Nutrient Law（最小養(yǎng)分律）（最小養(yǎng)分律）Macroelement C, H, O,N, P, K, Ca, Mg, SMicroelement Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Cl Beneficial element Na, Si, I, V, Co, NiUptake and distribution of boron at flowering stage (g

4、) B-ineffi. B-effi. -B +B -B +BOldest leaf 11.02 17.27 7.70 13.70Youngest leaf 0.024 0.15 0.245 0.586 Main stem 10.55 28.72 23.73 26.68Flower 1.23 5.67 3.46 7.85Bud 1.84 11.48 1.96 7.00 Total 32.85 89.37 45.63 78.21EnzymologyIsotope trace techniqueSoil ScienceAgronomyPlant Nutrition Crop Plant Soil

5、Fertilizer Plant Nutriology Signal Signal transduction transduction Rec.Rec.Plant Plant NutriomicsNutriomicsSignal Signal transduction transduction Rec.Rec.Plant Plant NutriomicsNutriomicsMller and Kersten, 2003 molecule to be transportedchannel proteincarrier proteinsextracellular spacelipid bilaye

6、rcytoplasmsimple diffusionchannel-m ediated transportcarrier-m ediated transportenergyelectrochemical gradientpassive transport (facilitated diffusion)active transportNRT1 family of nitrate transporters Two families of nitrate transporter genes have been identified to date: the NRT1 and NRT2 familie

7、s.CHL1 participates in both low and high affinity uptake. N NRT2 family of nitrate transporters The NRT2 family of genes encode nitrate-inducible, high affinity nitrate transporters. AMT1 family of NH4+ transporters Model for the feedback regulation of the AtAMT1.1 gene by N metabolites. A model for

8、 secondary Pi transport across the plasma membrane. PThese nine Pht1 genes are located on chromosomes 1, 2, 3, and 5, respectively. The diagram depicts introns (thin lines) and exons (black boxes). Phylogenetic analysis of Arabidopsis phosphate transporter protein sequences. Citrate, acetatePhosphat

9、eFe-phosphateATPADP + PiH+-ATPaseH+H+H+Phosphate-H+cotransportCitrate, acetatePhosphateFe-acetateH+H+Fe-citrateFe3+reductaseFe2+Fe2+channelCitrateFe2+CytosolSoilThe first high-affinity K+ transporter, HKT1, was cloned by complementation of yeast trk1trk2 K+ transport mutant with a cDNA library a mas

10、s of 59 kDa and contain 12 membrane-spanning domainsExpression of HKT1 in Xenopus oocytes gave rise to large inward currents in the present of K+. K克隆到的編碼克隆到的編碼K+轉(zhuǎn)運蛋白的植物基因轉(zhuǎn)運蛋白的植物基因基因基因 物種物種 定位定位KAT1 擬南芥擬南芥 保衛(wèi)細(xì)胞和維管組織保衛(wèi)細(xì)胞和維管組織KST1 馬鈴薯馬鈴薯 保衛(wèi)細(xì)胞和花芽保衛(wèi)細(xì)胞和花芽AKT1 擬南芥擬南芥 表皮和皮層根組織表皮和皮層根組織AKT2/13 擬南芥擬南芥 葉葉SKT1

11、馬鈴薯馬鈴薯 根、葉的表皮組織根、葉的表皮組織SKT2 馬鈴薯馬鈴薯 ？SKT3 馬鈴薯馬鈴薯 ？KCO1 擬南芥擬南芥 花，全株小苗，葉花，全株小苗，葉SKOR 擬南芥擬南芥 根星型細(xì)胞根星型細(xì)胞HKT1 小麥小麥 根內(nèi)皮層、根維管結(jié)構(gòu)根內(nèi)皮層、根維管結(jié)構(gòu)AtKUP1 擬南芥擬南芥 根、葉、花根、葉、花AtKUP2 擬南芥擬南芥 根、葉、花根、葉、花HvHAK1 大麥大麥 根根 H+/ Ca 2+反向轉(zhuǎn)運子反向轉(zhuǎn)運子主要功能是主要功能是維持細(xì)胞原維持細(xì)胞原生質(zhì)膜保持生質(zhì)膜保持較低的較低的Ca 2+濃度。濃度。Ca Ca通道通道(主要通過與主要通過與3-磷酸肌醇（磷酸肌醇（IP3）或）或ADP

12、-核核糖作用糖作用)維持細(xì)胞原生質(zhì)膜的維持細(xì)胞原生質(zhì)膜的Ca 2+濃度。濃度。 植物中廣泛的代謝和發(fā)育信號都可以引發(fā)植物中廣泛的代謝和發(fā)育信號都可以引發(fā)胞質(zhì)中游離胞質(zhì)中游離Ca 2+ 的提高。的提高。 游離游離Ca 2+ 提高的直接作用目標(biāo)包括離子通道，提高的直接作用目標(biāo)包括離子通道，轉(zhuǎn)運子，還包括鈣調(diào)蛋白、含有鈣調(diào)蛋白域的轉(zhuǎn)運子，還包括鈣調(diào)蛋白、含有鈣調(diào)蛋白域的蛋白激酶等。蛋白激酶等。 Overview of sulfur uptake, reduction, and transport in plantsAPS: 5-腺苷酰硫酸PAPS: 3磷酸腺苷5-磷酰硫酸SModel of a Pl

13、ant S transporter with 12 regions spanning the plasma membraneBAt1g15460 At1g74810 At2g47160 At3g06450At3g62270 At4g32510 At5g25430 雙子葉植雙子葉植物和非禾物和非禾本科單子本科單子葉植物鐵葉植物鐵吸收模式吸收模式圖圖Fe 從擬南芥中分離到根三價鐵還原酶基因從擬南芥中分離到根三價鐵還原酶基因FRO2。 它負(fù)它負(fù)責(zé)電子跨膜轉(zhuǎn)運的黃色細(xì)胞色素超家族中的一員。責(zé)電子跨膜轉(zhuǎn)運的黃色細(xì)胞色素超家族中的一員。 擬南芥中分離到鐵轉(zhuǎn)運蛋白擬南芥中分離到鐵轉(zhuǎn)運蛋白IRT1。IRT1W

14、TIRT1 -WTZIP微量元素轉(zhuǎn)運基因小結(jié)微量元素轉(zhuǎn)運基因小結(jié)基因基因 物種物種 克隆方法克隆方法 定位定位 IRT1RIT1ZIP1ZIP2ZIP3ZIP4ZNT1擬南芥擬南芥豌豆豌豆擬南芥擬南芥擬南芥擬南芥擬南芥擬南芥擬南芥擬南芥天藍(lán)菥蓂天藍(lán)菥蓂Fe2+吸收吸收Fe2+ / Zn2+ / Cd2+吸收吸收Zn2+吸收吸收Zn2+吸收吸收Zn2+吸收吸收？Zn2+ / Cd2+吸收吸收根根根根根根？根和苗根和苗根和苗根和苗根和苗根和苗 抗鹽性一般是多基因控制的，具有數(shù)量遺傳性狀的復(fù)雜性，抗鹽性一般是多基因控制的，具有數(shù)量遺傳性狀的復(fù)雜性，呈呈“多因一效多因一效”的模式。的模式。 Numbe

15、r of genes induced (A) or repressed (B) in low Pi. Comparison of short-term (diamonds，3，6，12 h), medium-term (squares, 1,2 d), and long-term (circles, 5 M ) experiments. Julie et al, PNAS, 2005, 102:11934-11939 In various metabolic pathways: ion transport, signal transduction, transcriptional regula

16、tion, and other processes related to growth and development. TransgenicWT導(dǎo)入檸檬酸合成酶提高導(dǎo)入檸檬酸合成酶提高Papaya耐鋁毒能力耐鋁毒能力 (Fuente JM et al 1997)轉(zhuǎn)基因植株和對照的田間轉(zhuǎn)基因植株和對照的田間表現(xiàn)。表現(xiàn)。A 至至D, 盆載盆載, E: 水培，水培，F(xiàn)、G和和 H分別為低氮低磷和分別為低氮低磷和正常營養(yǎng)條件下田間的結(jié)正常營養(yǎng)條件下田間的結(jié)果果A：0 毫克磷每公斤土毫克磷每公斤土, B和和D：30 毫克磷每公斤毫克磷每公斤土土, C：200 毫克磷每公斤土毫克磷每公斤土, ( Fro

17、m Lian 2005)UBI啟動子Extensin 信號肽 植酸酶基因 終止子植酸酶基因表達(dá)盒植酸酶基因表達(dá)盒 （From Chen 2005）WT plants in the presence of 5 mM NaCl. Transgenic plants in the presence of 5 mM NaCl. (D) WT plants grown in the presence of 200 mM NaCl. (E) Transgenic plants in the presence of 200 mM NaCl. 2001, 19 :765-768 nature biotechnologyFocus on genes that control uptake and accumulation of solutes, inclu